Способ обработки инструментальных сталей

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советскнк Сфциалистичесиик Республик(Ц М. Кл. с присоединением заявки И С 21 Р 1/78 Государственный комитет СССР ио делам изобретений и открытий(54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХСТАЛЕЙ Изобретение относится к способамобработки инструментальных сталей,содержащих более 0,3 углерода илегирующие карбидообразующие элементы; хром, молибден, вольфрам,ванадий, титан, цирконий, бор, марганец, кобальт, кремний, азот,Оно может быть использовано приизготовлении режущего и щтамповогоинструмента, фильер для волочеиия ивысадки, пресс-форм для литья поддавлением и т.п.Известен способ обработки легированных сталей различных классов,в частности быстрорежущих, включающий нитроцементацию при 900-1000 осна глубину 0.,3-0,5 мм до содержанияуглерода не выше 1,2 и азота до0,1 и последующую закалку от температуры нитроцементации с отпуском1). Нитроцементацию ведут в средеи по режимам, при которых не можетобразоваться большой избыток карбидов (до 40).Закалка от 900-1000"С не обеспечивает высокой твердости, теплостойкости и износостойкости слоя, таккак в металлической основе растворяется недостаточное количество легирующих элементов и углерода,Известен также способ изготовления изделий из сталей, содержащих карбидообразующие элементы, путем цементации их до содержания углерода в слое 2,5-4,5 с последующим замедленным охдаждением в печи или иной среде для предотвращения структурных превращений в слое 12. Науглероживание до высоких содержаний углерода ведет к образованию крупных глобулярных карбидов, расположенных неравномерно в основной металлической мат" рице, что не позволяет получить высоких механических показателей. С другой стороны, замедленное охлаждение после цементации приводит к обеде нению твердого раствора углеродом и легирующими элементами, при этом сердцевина приобретает пониженную твердость (НЕС 25-30). Износостойкость полученного слоя достаточна для втулок. матриц работающих при контактном износе в абразиве и т.п., но невелика для режущего и щтампового инструмента из высоколегированных и быстрорежущих сталей. Если инструмент в последующем подвергнуть обычной закалке, то для соответствующих сталей твердость слоя может быть повышена до 60-64, сердцевины ло655734 40-58, а красностойкость для быстро-режущих сталей не превышает НКС (620 С, 4 ч) = 48-52. Резкое изменение концентрации углерода и большой ,переходной слой, содержащий до 1,2 С, склонный к росту зерна, ведет к частому образованию трещин из-за высоких растягивающих напряжений при закалке и низкой прочности образующегося мартенсита.Более высокую износостойкость и теплостойкость поверхностного слоя обеспечивает способ термической обработки быстрорежущих сталей, взятый за прототип, включающий предварительную нитроцементацию, закалку от температуры, на 5-80 С ниже температуры плавления нитроцементованного слоя, с последующим охлаждением сначала в соли при температуре,. на 150-200 С выше температуры начала мартенситного превращения сердцевины, в течение 5-30 мин, а затем - в жидком азоте при -196 С, возбуждаемом ультразвуком, а также многократный отпуск (31.В процессе нитроцементации в стали на глубине 0,2-0,3 мм образуется 25 слой избыточных карбидов (до 50 вес.), далее следует слой 0,8-1,0 мм с постепенно убывающим содержанием углерода и карбидов, что обеспечивает после закалки и отпуска достаточно высокие 30 эксплуатационные свойства инструмента, работающето при относительно невысо-, ких контактных нагрузках и разогреве рабочей поверхности до 600-640 С, но для инструмента, применяемого в условиях кратковременного разогрева до 1000-1200 С, ,больших контактных нагрузок и всестороннего сжатия наличие такого слоя не обеспечивает высокой износостойкости, теплостойкости 40 и возможности многократного использования после переточки. При закалке некоторых видов инструмента указанным способом также возможно возникновение трещин переходному слою, связанное с тем, что при сквозном прогреве до температур закалки за время нагрева в переходном слое вырастает зерно аустенита, а при охлаждении образуется крупноигольчатый мартенсит, который непрочен, хрупок, имеет пони женную шлифуемость. Кроме того, способ относительно трудоемок, так как связан с дополнительным нагревом под закалку, а также с длительным охлаждением в жидком азоте и дли; 55 тельным многократным отпуском., пластичность, При обработке предложенным способом )количество этой эвтек тики сокращается, увеличивается дисЦелью изобретения является повыше,ние износостойкости, теплостойкости, уменьшение хрупкости поверхностного слоя и упрощение процесса.Поставленная цель достигается тем, что при реализации способа обработки сталей, включающего высоко- температурную нитроцементацию, закалку и отпуск, нитроцементацию оосуществляют при 940-980 С в течение10-16 ч с последующим подстуживаннем до температуры, на 20-60 С выше температуры начала перлитного превращения, и нагревом под закалку до температуры, на 30-50" С выше температуры начала плавления поверхностного слоя.При длительной (более 12 ч) и высокотемпературной (940-9800 С) нитроцементации создаются условия для образования внутри слоя избыточных карбидов на границе карбонитридов и металлической основы первичного ледебурита.Образующийся глубокий слой избыточных карбонитридов и первичной ледебуритной эвтектики +М С + МС,1 при последующей закалке обеспечивают образование аустенита с высоким содержанием углерода и легирующих элементов, а при охлаждении - легированного мартенсита. Первичная ледебуритная эвтектика и дисперсные карбиды не только повышают степень легирования твердого раствора при закалке, но и являются основой, для образования 15-25 вторичного ледебурита. Наличие после охлаждения в структуре участков высоколегированного мартенсита, карбидов и вторичной эвтектики повышает теплостойкость слоя.С другой стороны, избыточные карбиды в слое препятствуют при закалке росту зерна аустенита и образованию сплошной сетки по границам зерен, уменьшают хрупкость слоя за счет образования скрытоигольчатого мартенсита в пределах зерна аустенита. Длительная высокотемпературная нитроцементация позволяет получить слой избыточных карбидов с резким переходом к сердцевине. Переходной слой получается очень тонким - 0,1- 0,3 мм, при кратковременном нагреве под закалку он успевает перегреться, зерно аустенита при этом не превышает 10-11 балла, что обеспечивает высокую вязкость подслоя и исключает образование трещин в нем.Подстуживание в предложенном способе направлено не только на упрошение процесса но и на подготовкуструктуры.В случае отсутствия подстуживания свойства слоя и сердцевины значительно ухудшаются.Образовавшиеся области вторичного ледебурита (15-25), равномерно распределенные в слое, в силу наличия в них некоторого количества вязкого аустенита являются своеобразным демпфером в слое, поглощающем напряжения при эксплуатации инструмента в условиях разогрева и знакопеременных нагрузок. Ледебуритная эвтектика, .характерная для литых быстрорежущих сталей, имеет низкую прочность и655734 10 ЗО Формула изобретения 35 ительЛ.Ал персность образующих ее карбидно-аустенитных колоний в пределах слоя избыточчых карбидов, что обеспечивает получение новых качеств - высокой прочности, вязкости, твердости и теплостойкости. Последняя растет из-за большей стойкости против отпуска аустенита, входящего во вторичный ледебурит, большей степени легирования и искажения решетки мартенсита, наличия развитой поверхности ветвис- тых, неравноосных и мелких глобулярных карбидов. Склонность к коагуляции таких карбидов при равных температурах значительно меньше, чем при обработке известными способами, Азот, диффундирующий в сталь в количествах до 0,5, не только ускоряет дифФузию углерода и образование специальных карбидов, но и образует нитриды и карбонитриды в поверхностном слое, дополнительно увеличивающие износостойкость и теплостойкость основной матрицы.Способ был опробс(ван при обработке различного штампдвого и режущего инструментов из сталей Р 12 Ф 2 К 8 МЗ, РбМЗ, Р 6 М 5, ЗХ 2 В 8, ЗХ 13, 4 Х 13 и др. Режимы обработки выбирали в зависимости от марки стали, требуемой твердости и условий эксплуатации инструмента.П р и м е р 1. Матрицы и пуансоны высадочные цельные из стали марки Р 6 М 5 обрабатывали в печи Цв продуктах пиролиза карбюризатора, содержащего, : МН 4 ОН 0,4: Маиог 0,1 у НаМО 0,05 у Й О 2, остальное (С Н ОН)Режим обработки. Нитроцементация при 940 С, 12 ч, 120 кап/мин; подстуживание на воздухе до 750 С, нагрев под закалку в соляной ванне (100 Ва СР) при 1210 С, 30 ср охлаждение в солй при 550 С, 4 мин, далее на воздухе. Отпуск 4 ч при 520 С, 3 раза. Образуется поверхностный слой глубиной 0,80 мм, содержащий 64 карбонитридов и 18 вторичного ледебурита. Твердость слоя НВС = 67,5- 68,0сердцевины ННС = 60-62. Износостойкость инструмента при высадке болтов иэ стали 16 ХСН диаметром 7 мм составила 600 мин (420 мин. при обработке известными методами).П р и м е р 2. Фильеры и втулки иэ стали ЗХ 13 обрабатывали в печи Цв том же карбюризаторе по следующему режиму. Нитроцементация при 950 фС, 10 ч, 120 кап/мин, подстуживание на воздухе до 750 С, за.СоставРедактор Т, Орловская Техрец тем нагрев в вакуумной печи, разогретой до 1180 С, в течение 20 мин с последующим охлаждением в масле. Отпуск при 500 С в течение 1 ч 3 раза. В результате обработки на глубине 1,1 мм образуется слой, содержащий 61 карбонитридов и 21 вторичного ледебурита. Твердость слоя ННС 65,0-65,5. Испытания проводили при обмазке флюсом электродов из стали 10 ХМА, а втулки - при опескоструивании металлическим песком. Износостойкость до полного износа на 20 выше, чем при обработке известными способами.П р и м е р 3. Обрабатывали прошивки диаметром 14 мм иэ стали Р 12 Ф 2 КЗМЗ. Нитроцементировали при 940 С в течение 16 ч, 90 кап/мин. Подстуживали до 780 С, нагревали под закалку в соли при 1200 С, 15 с, охлаждали при 550 С в соли 4 мин, затем на воздухе. Отпуск при 560 С в течение 1 ч 3 раза. Твердость слоя НкС : 69,0-69,5. Толщина слоя избыточных карбонитридов 1,37 мм, содержание карбидов бб вес., вторичного ледебурита 24 вес Износостойкость прошивок в 1,2 раза выше, чем обычных иэ стали Р 12 Ф 4 К 5.Предложенный способ в сравнении с известными - обеспечивает повыаение теплостойкости на 1,5-2 ед. НЕС и иэносостойкости в 1,2-2 раза. Способ обработки инструментальныхсталей, содержащих карбидообразующие элементы, включающий высокотем"пературную нитроцементацию, закалку и отпуск, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения иэносостойкости и теплостойкости инструмента, нитроцементацию осуществляютпри 940-980 С в течение 10-16 ч споследующим подстуживанием до температуры на 20-60 С выше температурыначала перлитного превращения, и нагревом под закалку до температуры,на 30-50 С выше температуры началаплавления поверхностного слоя.Источники информации, принятыево внимание при экспертизе,1, Авторское свидетельство СССРР 223126, кл. С 21 Р 1/78, 1968.2, Авторское свидетельство СССРУ 436892, кл. С 23 С 9/00, 1974.3. Авторское свидетельство СССРР 533650, кл. С 21 Р 9/22, 1976. Р. Клыковаферова Корректор О. БилакЗаказ 1459/21 Тираж 652 Подписное ЦНИИПИ Государственного, комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб д, 4/5 Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул, Проектная, 4